本實用新型屬于能源利用設備技術領域，具體涉及一種基于復合相變儲熱材料層的高效儲熱換熱裝置，可應用于太陽能熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)、棄風電儲熱供熱系統(tǒng)等新能源領域及高溫煙氣余熱回收利用領域。

背景技術：

隨著各發(fā)達國家工業(yè)化進程的不斷推進以及規(guī)模經濟的不斷擴大，自然資源特別是能源資源大量消耗，由此所帶來的能源危機及所產生的環(huán)境污染問題，使人們逐漸開始重視如何能夠有效提高能源的利用效率以及開發(fā)具有高效、節(jié)能、可再生新能源。其中，提高一次化石能源的利用效率，大力開發(fā)風能、太陽能、地熱能等新能源成為人們解決能源問題的重要方法，而儲熱技術是保證新能源穩(wěn)定輸出的關鍵，是提高一次化石能源利用效率的有效途徑。目前國內外已有不少相關儲熱換熱系統(tǒng)的專利，但很多使用效果都不太理想。如中國實用新型專利授權公告號CN202304521U介紹的“一種固體儲熱裝置”，其采用固體儲熱材料，運行安全，然而儲熱密度低；又如中國實用新型專利授權公告號CN202928422U提及的“熔鹽儲熱裝置”，相變材料直接采用熔融鹽，具有極強的腐蝕性，且導熱系數(shù)太低；再如中國實用新型專利授權公告號CN201895861U推薦的“一種含相變材料的儲熱裝置及使用該儲熱裝置制成的保溫系統(tǒng)”，采用有機相變材料，只能滿足低溫儲熱需求。還有中國發(fā)明專利申請公布號CN102252545A介紹的“一種應用于太陽能空調的熔融鹽相變蓄熱裝置”，在采用的儲熱材料中加入石墨以增加導熱系數(shù)，使熱交換過程充分、可逆，換熱效率高，并且將儲熱材料封裝在固定的不銹鋼管內，確保儲熱系統(tǒng)的安全可靠性，但是，它儲熱材料的制備過于簡單，未采用模塊化。

鑒于上述已有技術，有必要對現(xiàn)有儲熱換熱裝置的結構加以改進，為此，本申請人作了有益的設計，下面將要介紹的技術方案便是在這種背景下產生的。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種換熱效率高、安全可靠且使用壽命長的基于復合相變儲熱材料層的高效儲熱換熱裝置。

本實用新型的目的是這樣來達到的，一種基于復合相變儲熱材料層的高效儲熱換熱裝置，其特征在于：包括儲熱室箱體、儲熱材料封裝管以及復合相變儲熱材料層，所述的儲熱室箱體內充滿有高溫流體，儲熱室箱體在長度方向的一端開設高溫流體入口，并在該端的底部位置開設低溫流體出口，儲熱室箱體在長度方向的另一端開設高溫流體出口，并在該端的底部位置開設低溫流體入口，所述的儲熱材料封裝管固定在儲熱室箱體的內部型腔中并沿儲熱室箱體的長度方向延伸，儲熱材料封裝管為同心圓管，包括內管和套設在內管外的外管，所述的內管為低溫流體通道，其一端從低溫流體入口探出至儲熱室箱體外，而另一端從低溫流體出口探出至儲熱室箱體外，外管的管壁與儲熱室箱體內的高溫流體接觸，所述的復合相變儲熱材料層由多個儲熱材料模塊拼接而成，多個儲熱材料模塊填充并封裝在由內管的外側壁和外管的內側壁圍隔成的空間內。

在本實用新型的一個具體的實施例中，所述的儲熱材料封裝管有多根，且沿所述的儲熱室箱體的寬度方向間隔排布。

在本實用新型的另一個具體的實施例中，所述的儲熱材料封裝管呈S形彎曲或波浪形彎曲。

在本實用新型的又一個具體的實施例中，所述的儲熱材料模塊的橫截面形狀呈扇形狀，多個儲熱材料模塊合并后拼接成一圓環(huán)。

在本實用新型的再一個具體的實施例中，所述的儲熱材料模塊為無機鹽/無機非金屬材料/石墨復合模塊，其中，無機鹽為碳酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、硫酸鹽中的一種或多種，無機非金屬材料為MgO、SiO、AlO中的一種。

在本實用新型的還有一個具體的實施例中，所述的儲熱室箱體的內側壁或外側壁上設有保溫層。

在本實用新型的更而一個具體的實施例中，所述的保溫層為陶瓷纖維，所述的陶瓷纖維的厚度介于～mm之間。

在本實用新型的進而一個具體的實施例中，所述的高溫流體為煙氣、氮氣、氬氣、導熱油中的任意一種；所述的低溫流體為空氣、氮氣、氬氣、導熱油中的任意一種。

在本實用新型的又更而一個具體的實施例中，在所述的儲熱材料封裝管為不銹鋼管。

在本實用新型的又進而一個具體的實施例中，所述的儲熱室箱體為碳鋼箱體或不銹鋼箱體。

本實用新型由于采用了上述結構，與現(xiàn)有技術相比，具有的有益效果是：所述的復合相變儲熱材料采用模塊化的結構，便于安裝；通過高溫流體和低溫流體兩種傳熱介質與復合相變儲熱材料進行換熱，換熱效率高且換熱充分；復合相變儲熱材料和傳熱介質隔離，復合相變儲熱材料的使用壽命長。

附圖說明

圖1為本實用新型的剖視圖。

圖2為本實用新型的內部結構俯視圖。

圖3為本實用新型所述的儲熱材料封裝管的排布示意圖。

圖4為本實用新型所述的復合相變儲熱材料的結構示意圖。

圖中：1.儲熱室箱體、11.高溫流體入口、12.低溫流體出口、13.高溫流體出口、14.低溫流體入口；2.儲熱材料封裝管、21.內管、22.外管；3.復合相變儲熱材料層、31.儲熱材料模塊；4.保溫層。

具體實施方式

為了使公眾能充分了解本實用新型的技術實質和有益效果，申請人將在下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式詳細描述，但申請人對實施例的描述不是對技術方案的限制，任何依據本實用新型構思作形式而非實質的變化都應當視為本實用新型的保護范圍。

請參閱圖1和圖2，本實用新型涉及一種基于復合相變儲熱材料層的高效儲熱換熱裝置，包括儲熱室箱體1、儲熱材料封裝管2以及復合相變儲熱材料層3。所述的儲熱室箱體1內充滿有高溫流體，所述的高溫流體可以為熱源端的工業(yè)高溫煙氣以及太陽能熱發(fā)電聚光熱形成的高溫空氣、高溫氮氣、高溫氬氣、高溫導熱油等。儲熱室箱體1在長度方向的一端開設高溫流體入口11，并在該端的底部位置開設低溫流體出口12，儲熱室箱體1在長度方向的另一端開設高溫流體出口13，并在該端的底部位置開設低溫流體入口14。儲熱室箱體1優(yōu)選為碳鋼箱體或不銹鋼箱體，并且在內側壁或外側壁上設有保溫層4。當高溫流體為氣體時，儲熱室箱體1采用普通碳鋼，保溫層4設置在內側壁上，當高溫流體為低于400℃的液體時，儲熱室箱體1采用304不銹鋼，保溫層4設置在外側壁上。在本實施例中，所述的保溫層4為陶瓷纖維，所述的陶瓷纖維的厚度介于35～45mm之間。

請繼續(xù)參閱圖1和圖2，并結合圖3，所述的儲熱材料封裝管2有多根，固定在儲熱室箱體1的內部型腔中且沿所述的儲熱室箱體1的寬度方向間隔排布。各儲熱材料封裝管2沿儲熱室箱體1的長度方向呈S形彎曲或波浪形彎曲進行延伸。具體的，儲熱材料封裝管2是由耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼制成的同心圓管，包括內管21和套設在內管21外的外管22。當使用溫度高于600℃時，該儲熱材料封裝管2選擇2520不銹鋼，當溫度低于600℃時儲熱材料封裝管2選擇304不銹鋼。所述的內管21為低溫流體通道，所述的低溫流體為空氣、氮氣、氬氣、導熱油中的任意一種。內管21的一端從低溫流體入口14探出至儲熱室箱體1外，而另一端從低溫流體出口12探出至儲熱室箱體1外。所述的低溫流體入口14和低溫流體出口12的數(shù)量分別與儲熱材料封裝管2的數(shù)量相同。外管22的管壁與儲熱室箱體1內的高溫流體接觸，進行換熱。

請參閱圖4，所述的復合相變儲熱材料層3由多個儲熱材料模塊31拼接而成，所述的儲熱材料模塊31的橫截面形狀呈扇形狀，多個儲熱材料模塊31合并后拼接成一圓環(huán)，在本實施例中，由四個儲熱材料模塊31構成一圓環(huán)。多個儲熱材料模塊31填充并封裝在由內管21的外側壁和外管22的內側壁圍隔成的空間內。所述的儲熱材料模塊31為無機鹽/無機非金屬材料/石墨復合模塊，其中，無機鹽為碳酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、硫酸鹽中的一種或多種，無機非金屬材料為MgO、SiO₂、Al₂O₃中的一種。選擇其中一種或多種無機鹽組成的混合鹽與一種無機非金屬材料混合（選擇時二者不發(fā)生反應），然后經過混料、壓制成型、干燥、高溫燒結來制備成儲熱材料模塊。儲熱材料模塊所采用的儲熱材料具有儲熱密度大、導熱系數(shù)高、腐蝕小、使用壽命長的優(yōu)點，可根據不同的使用溫度范圍選擇不同的儲熱材料。例如在150~350℃溫度范圍，可選擇NaNO₃/SiO₂/石墨復合儲熱材料；在400~600℃溫度范圍，可選擇Li₂CO₃、Na₂CO₃/MgO/石墨復合儲熱材料；在700~900℃溫度范圍，可選擇Na₂SO₄/硅藻土/石墨復合儲熱材料。

本實用新型充熱時，將高溫流體從高溫流體入口11導入儲熱室箱體1內，通過高溫流體加熱儲熱材料封裝管2中的復合相變儲熱材料層3，復合相變儲熱材料層3熔化前以顯熱的方式儲熱，當溫度達到其熔點時蓄熱材料開始熔化并以相變潛熱的方式存儲熱量。當需要利用熱能時，將低溫流體經低溫流體入口13導入到內管21中，由于復合相變儲熱材料層3處于高溫熔融狀態(tài)，因此復合相變儲熱材料層3將通過熱交換放出相變潛熱來加熱低溫流體，使熱能得以釋放和利用。低溫流體換熱后從低溫流體出口12排出，可供給終端使用。當液態(tài)的復合相變儲熱材料層3冷卻至相變溫度時又結晶成為固態(tài)，同時放出相變潛熱。復合相變儲熱材料層3在充熱釋熱過程中可循環(huán)利用千次以上。高溫流體和低溫流體這兩種傳熱介質可以根據使用需求而選擇不同的傳熱流體。

實施例1：

在本實施例中，所述的儲熱室箱體1由3mm厚的普通碳鋼制成，保溫層4為40mm厚的耐高溫陶瓷纖維，設置在儲熱室箱體1的內側壁上，對儲熱室箱體1進行保護。所述的儲熱材料封裝管2為2520不銹鋼管。充熱時的高溫流體為400~600℃的高溫煙氣，釋熱時的低溫流體為空氣。所述的儲熱材料模塊31采用Na₂SO₄/硅藻土/石墨復合儲熱材料，具體的制備過程包括如下步驟：

混料：首先將硅藻土、Na₂SO₄干燥、球磨過300目篩，然后將重量比為40份的硅藻土、60份的Na₂SO₄及10份的石墨放入球磨機中進行充分混合，待1小時后制得A粉；

壓制成型：對混合好的A粉噴灑3%左右的水來進行造粒，然后在15MPa的壓力下壓制成型；

干燥：在120℃溫度下干燥4小時；

燒成：在900℃溫度下燒成，燒成時的升溫速率為5℃/min，900℃保溫2小時。

上述各原料的純度＞98%的工業(yè)級原料即可。經測試，由此制得的儲熱材料模塊31的導熱系數(shù)＞1W/（m·K），儲熱密度＞350J/g，抗壓強度＞7MPa。

實施例2：

在本實施例中，所述的儲熱材料封裝管2為304不銹鋼管。所述的儲熱材料模塊31采用Li₂CO₃、Na₂CO₃/MgO/石墨復合儲熱材料，具體的制備過程包括如下步驟：

混料：首先將重量比為30份的Li₂CO₃和30份Na₂CO₃充分混合，待2小時后加入40份的MgO和10份的石墨，經充分混合2小時后制得B粉；

壓制成型：將混合好的B粉噴灑3%左右的水來進行造粒，然后在20MPa的壓力下壓制成型；

干燥：在120℃溫度下干燥4小時；

燒成：在550℃溫度下燒成，燒成時的升溫速率為5℃/min，550℃保溫2小時；

上述各原料的純度＞98%的工業(yè)級原料即可。經過測試，其導熱系數(shù)＞3W/（m·K），儲熱密度＞550J/g，抗壓強度＞10MPa。

實施例3：

在本實施例中，所述的儲熱室箱體1由304不銹鋼制成，保溫層4設置在儲熱室箱體1的外側壁上，對儲熱室箱體1進行保護。所述的儲熱材料封裝管2為304不銹鋼管。充熱時的高溫流體為150~350℃的導熱油，釋熱時的低溫流體為導熱油。所述的儲熱材料模塊31采用NaNO₃/SiO₂/石墨復合儲熱材料，具體的制備過程包括如下步驟：

混料：首先將NaNO₃在120℃溫度下干燥6小時，然后球磨過300目曬，將重量比為50份的NaNO₃、50份SiO₂、10份的石墨充分混合2小時后制得C粉；

壓制成型：將混合好的C粉噴灑3%左右的水來進行造粒，然后在25MPa的壓力下壓制成型；

干燥：在120℃溫度下干燥4小時；

燒成：在320℃溫度下燒成，燒成時的升溫速率為5℃/min，320℃保溫2小時；

上述各原料的純度＞98%的工業(yè)級原料即可。經過測試，其導熱系數(shù)＞1W/（m·K），儲熱密度＞300J/g，抗壓強度＞5MPa。